提篮式系杆拱桥测量控制技术

吴 斌

(中铁十四局集团第二工程有限公司,山东 泰安 271000)

0 引言

目前,桥梁不断向着更长、更大和更柔方向发展,系杆拱在结构体系和施工方法上都具备卓越优势,结构新颖、造型优美,成为拱桥发展的引导性潮流,跨径不断被突破,在城际铁路中系杆拱桥已屡见不鲜[1]。提篮式系杆拱桥兼具拱与梁的特性,受力特征清晰:主梁主要受弯,拱肋主要承压,系杆承担拱脚水平推力,充分发挥被组合简单系统的受力性能,获得了更强的跨越能力[2]。另一方面,提篮拱施工工艺复杂、水上施工难度大、测量精度要求高,城际铁路要求高精度的几何线性参数和高平顺性的乘客体验,特别是当采用提升竖转[3]的施工方法时,如何保证高精度合龙及线形符合设计要求,测量工作在全过程中显得尤为重要,必须建立一套区别于传统铁路工程测量的高精度的测量系统[4]。

1 工程概况

新建石家庄至衡水至黄骅港城际铁路李天木跨捷地减河特大桥51号墩—52号墩跨越捷地减河采用下承式双线简支拱桥形式,系梁全长131 m,计算跨度128 m,矢跨比f/L=1∶5,拱肋立面投影矢高25.351 m,拱肋在横桥向内倾8°呈提篮式,吊杆采用尼尔森体系,在吊杆平面内,吊杆水平夹角在52.39°～71.18°之间,横桥向水平夹角为82°。拱顶处两拱肋中心距9.774 m,拱肋横断面采用哑铃型钢管混凝土等截面,截面高度h=3.4 m,钢管直径为1.2 m。本桥采用先梁后拱的施工方式,梁体采用摩擦桩+钢管贝雷结构施工,钢管拱肋在已施工完成的梁体上拼装合龙,每一拱肋划分为11个节段预制,根据吊杆锚头和横撑位置每片拱肋划分为2个拱脚预埋段、8个中间吊装段和1个中间合龙段。桥梁路线平面位于直线段,路线纵断面处于4‰的坡段上。桥梁立面图平面如图1,图2所示。

该桥位于4‰的纵坡上,纵桥向(里程)的确定需要将拱旋转再投影至水平面计算;拱肋在横桥向内倾8°呈提篮式,横向桥(偏距)的确定需要将拱投影至铅垂面再计算。该拱坐标计算考虑因素较多,且建设标准属于高速铁路,对测量精度的要求也更高。

2 拱桥独立控制网布设

为保证系梁与拱肋控制点坐标的一致性,需要在51号墩—52号墩周边建立独立控制网,控制网桥下与桥上相结合,系梁施工利用桥下控制点控制,拱肋安装主要利用桥上控制点控制[5]。

2.1 平面控制网布设

利用铁路既有的CPⅠ,CPⅡ控制点并埋设桥下、桥上加密点组成平面控制网。采用GNSS静态测量的方式进行测量,平面控制网等级采用铁路四等[6-7],时段长度不小于45 min,卫星高度角不小于15°,GPDP值不大于10,约束平差后最弱边边长相对中误差满足1/70 000。将CPⅠ037,CPⅡ095,CPⅡ096作为已知点,对加密点JM01—JM06进行二维约束平差。控制网网形图见图3。

2.2 高程控制网布设

3 系梁施工测量控制

系梁为等截面箱梁,梁宽16.5 m,梁高2.5 m,系梁采用支架现浇的形式浇筑,测量控制与普通简支箱梁类似,较为简单,拱脚和吊杆套管预埋是测量控制的重点。

3.1 拱脚预埋管测量控制

拱脚预埋管坐标计算时,要考虑因纵坡引起纵向与水平面存在的夹角,夹角为0°13′45″;横向考虑提篮拱平面内倾8°的影响,分别对水平面和垂直面进行投影。拱脚位置以放样点1—5确定,预埋管以放样点6,7来控制(见图4)。各点位采用全站仪来进行放样,放样精度控制在10 mm以内,放样完成后要固定好拱脚模板及预埋钢管,在混凝土浇筑过程中随时监控各点位的位移变化,若出现大的偏差,立即进行校正[8]。

3.2 系梁吊杆预埋套管测量控制

在系梁混凝土浇筑前需要在梁顶板预埋吊杆预埋套管[9],梁体预埋套管待拱肋安装完成后通过吊杆将梁体与拱连成整体,这要求梁体预埋套管的预埋精度要高。首先应计算预埋套管下锚点坐标,内外吊杆下锚点在横桥向和垂直方向固定,不用考虑投影的影响计算较为简单;吊杆预埋套管管口是测量控制的重点,内外吊杆纵向水平面呈一定的角度,横向倾向内侧8°(见图5)。以内吊杆1′为例,计算该套管口中心D点的纵向、横向、垂直距离。

套管口中心D点纵向距离AB=AD×cosβ。

套管口中心D点横向距离CB=AD×sinβ×sin8°。

套管口中心D点垂直距离CD=AD×sinβ×cos8°。

其中,AD为套管长度,m;β为吊杆拱平面倾角,(°);AB为套管口距下锚点的纵向距离,m;CB为套管口距下锚点的横向距离,m;CD为套管口距下锚点的垂直距离,m。

套管安装过程中利用角度尺控制纵向和横向倾角[10],初步固定后使用全站仪校正套管中心位置,位置偏差控制在10 mm以内,在混凝土浇筑过程中,要随时监控套管的位移变化,及时调整套管姿态。

4 拱肋支架安装测量控制

梁体施工完成后需要在梁面上设置支架[11],为拱肋安装提供支撑和焊接平台。支架顶部设置半月板,拱肋拼装时直接将拱肋吊装至半月板顶部,拱肋底部将不再发生位移,故支架半月板的安装精度决定着拱肋的安装精度,拱肋支架布置见图6。

4.1 拱肋支架测量控制

在梁面浇筑时设置预埋钢板,预埋钢板的位置应按照设计位置去放样。梁体浇筑完成后,支架垂直的安装在梁面上,安装时应对支架的四个支腿整平,吊立过程中用全站仪实时监控支架的垂直度,保证支架安装在设计位置。

4.2 支架半月板安装测量控制

支架安装完成后,在支架大小里程侧安装半月板[12],半月板中心为拱肋下钢管的最低点,如图7所示。半月板中心里程为支架里程,半月板中心里程所对应的高程可在拱立面图中量出,其相对拱原点的内移值可根据下列公式求得。

L=[H+0.006-H1-(D-D1)×4‰]/cot(8°)+0.084。

其中,L为内倾后相对于拱原点的内移值,m;H为半月板里程在拱立面所处的高程,m;H1为拱原点高程,m;D为半月板里程,m;D1为拱原点里程,m。0.006为拱平面最低点A和垂直投影面最低点B间的高差,0.084为拱平面最低点A和垂直投影面最低点B间的水平距离。

通过上式求得内移值后,可根据曲线要素求得半月板中心坐标,校正半月板中心坐标应采用全站仪,坐标偏差控制在10 mm以内。

5 拱肋安装测量控制

5.1 拱肋安装前准备工作

1)拱肋安装前要检查拱肋的加工精度,重点检查钢管尺寸、拱肋纵向长度、弧度、吊杆上锚箱位置,复核预埋拱脚、吊杆预埋套管的位置。2)在拱肋管口上下轴线位置贴反射贴片,便于全站仪测量坐标。

5.2 拱肋安装测量精调

支架及半月板定位完成后,开始吊装拱肋,拱肋安装从拱脚侧逐节往拱顶侧安装,合龙段设在拱顶。每一节段拱脚侧与上一节相连,测量控制以控制拱顶侧上下钢管轴线为主,具体测量方法为:

1)架设全站仪,由测量人员测得钢管轴线坐标,根据线路要素反算该点的里程。

2)根据实测计算出的管口里程求得该点在拱立面图中对应的高程,再根据里程、高程计算相对于拱轴线原点的内移值,进而确定横向偏距,由于下管轴线与半月板中心重合,这里只计算上管口轴线内移值,计算公式为:

L=[H-0.006-H1-(D-D1)×4‰]/cot(8°)+0.084。

3)根据计算所得的上下管口轴线坐标与实际管口轴线对比,指挥安装人员将拱肋轴线调至计算位置。校正拱肋时要固定拱脚侧管口,先调整高程,再横向调节,直至调整到规范要求以内,允许偏差见表1。

表1 拱肋节段拼装允许偏差

5.3 吊杆安装测量控制

吊杆安装精度控制的重点主要是在两个阶段:一是在梁体浇筑前要准确控制吊杆预埋套管的位置,要保证下锚点和预埋套管管口的定位精度;二是在拱肋安装时要精确定位,拱肋精调完成后,测量上锚箱中心坐标,并与设计位置对比,偏差过大及时调整。

6 系杆拱完工复测

拱肋拼装完成拆除支架后,架设全站仪复测拱肋及吊杆位置,经检验拱肋和吊杆孔的水平位置、高程满足规范和设计要求。复测数据见表2,表3。

表2 拱肋位置复测数据

表3 吊杆位置复测数据(部分数据)

7 结语

提篮式系杆拱桥测量控制时要考虑纵向坡度和横向内倾等因素的影响,要分别对水平面和垂直面进行投影,通过采用正确的计算方法,结合高精度的测量控制,实现了提篮式系杆拱的顺利合龙。本文对提篮式系杆拱桥测量控制过程中的计算和实测方法进行归纳总结,为后续类似工程施工提供参考。